年
nián
年是一颗行星绕太阳完成一整圈公转所需要的时间;地球大约需要365.25天,这正是闰年存在的原因。
Definition
年是地球绕太阳走完一整圈所需要的时间,大约是 $365$ 天又 $6$ 小时;我们每四年就会多加一天(二月二十九日),用来消化掉这些多余的小时。更一般地说,年是一颗行星绕太阳公转的周期;地球约 $365.25$ 天的一年,让它走过完整的四季循环,以及全年依次出现的各个季节性星座,其他行星的一年长度,则按照开普勒第三定律,由它们与太阳的距离决定。天文学家定义了好几种年:恒星年,即相对于恒星测得的一整圈公转,为 $365.2564$ 天;回归年,即从一次三月分点到下一次三月分点,为 $365.2422$ 天,之所以更短,是因为岁差使分点每年向西移动约 $20$ 分钟,这也是历法所追踪的年,以保证季节始终对齐;近点年,即从近日点到下一次近日点,为 $365.2596$ 天;而格里高利历的平均年长 $365.2425$ 天,与回归年的误差在 $27$ 秒以内。
Example
如果你今年 $12$ 岁,那么你已经跟着地球绕太阳转了 $12$ 圈,每一圈大约有 $940$ 百万千米长。火星距太阳 $1.52$ AU,其一年是 $687$ 个地球日;木星距太阳 $5.2$ AU,一年为 $11.9$ 个地球年;土星距太阳 $9.5$ AU,一年为 $29.5$ 个地球年。根据开普勒第三定律,一颗位于 $a = 9.54$ AU处的行星,$T = 9.54^{1.5} \approx 29.5$ 年,正是土星的公转周期。一颗围绕类太阳恒星、距离仅 $0.05$ AU的系外行星,其一年只有 $0.05^{1.5} \approx 0.011$ 年,大约相当于 $4$ 天。
Key Insight
每颗行星的一年长度都不相同:水星的一年只有 $88$ 个地球日,海王星的一年却长达 $165$ 个地球年。闰年的规则还有一个额外的转折:能被 $100$ 整除的年份,除非同时能被 $400$ 整除,否则不算闰年,所以1900年不是闰年,2000年却是;这条规则能使历法与真实的年长相差不超过一天的误差累积到约 $3{,}000$ 年才出现。儒略历 $365.25$ 天的年长,每年都会比回归年多出约 $11$ 分钟的误差,到1582年时已累积达 $10$ 天。格里高利历改革删去了这些多出来的天数,并调整了闰年规则,这也提醒我们,历法其实就是把天文学应用到了日常生活之中。